Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих вариантов ВЗУ и методов их исследования 13
1.1. Обзор задач виброзащиты 13
1.1.1. Проблемы современного машиностроения 13
1.1.2. Обзор методов виброзащиты 16
1.1.3. Выбор задачи виброзащиты 20
1.1.4. Постановка задачи исследований 22
1.2. Динамические гасители колебаний и их применение 23
1.3. Обзор вариантов моделей гидропреобразовательных виброзащитных устройств 29
1.4. Выводы по первой главе 37
Глава 2. Разработка математических описаний объектов входящих в вибропроводы для систем виброзащиты 38
2.1. Исследование влияния связности между узлами крепления для статически определимой системы 38
2.2. Исследование пространственной системы с избыточными связями 44
2.3. Разработка математических описаний точек крепления объектов, входящих в систему виброизоляции 50
2.3.1. Моделирование точки крепления на фундаменте 51
2.3.2. Моделирование планера в точке крепления виброзащитного устройства 55
2.3.4. Моделирование силовой установки в точке крепления к подкосу 59
2.4. Методика автоматического моделирования силовой установки в точке крепления по экспериментальным кривым 63
2.5 Выводы по второй главе 73
Глава 3. Исследования Математических описаний ВЗУ учитывающих динамические параметры 74
3.1. Исследование математического описания ВЗУ в виде последовательной цепи «пружина — масса - пружина», устанавливаемой параллельно упругому элементу, с учетом динамических параметров 74
3.2. Разработка математического описания механического аналога виброзащитного устройства с одним встроенным низкочастотным фильтром в виде динамического гасителя закрепленного через упругие связи 80
3.3. Принцип работы виброзащитного устройства с гидравлическим преобразователем 88
3.4. Анализ свойств математических описаний виброзащитных устройств на основе гидравлических преобразователей 97
3.5. Исследование модели динамического гасителя с гидравлическим преобразователем ... 104
3.6. Выводы по третьей главе 111
Глава 4. Исследование вариантов многочастотного гашения и возможностей раширения области виброзащиты 113
4.1. Моделирование передаточных характеристик многочастотных виброзащитных систем с гидропреобразователями на две частоты 113
4.1.1. Математическое описание ВЗУ с несколькими фильтрами в виде последовательно соединенных элементов ... 113
4.1.2. Математическое описание ВЗУ с несколькими фильтрами в виде параллельно соединенных элементов 118
4.2 Моделирование схем с несколькими фильтрами, настраиваемыми на одну частотную область 121
4.2.1. Сравнение характеристик виброзащитных устройств с одним, двумя, тремя и четырьмя фильтрами настроенными на одну частотную область 121
4.2.2. Моделирование многочастотного гашения с комбинацией фильтров на различных частотах 124
4.3. Исследование модели виброзащитной системы на основе гидроупругих преобразователей с элементами регулирования от низкочастотных колебаний силовой установки 129
4.4 Выводы по четвертой главе 137
Глава 5 Экспериментальные исследования модели динамического гасителя с гидравлическим преобразователем движения 138
5.1. Характеристики комплекса применяемого при проведении испытаний модели динамического гасителя 138
5.1.1. Состав технических средств автоматизированного виброиспытательного комплекса 138
5.1.2. Характеристики элементов входящих в виброиспытательный комплекс 140
5.2. Возможности создания динамических гасителей с преобразователями движения 143
5.3. План проведения экспериментальных исследований 146
5.4. Изучение влияние упругих составляющих в общий вклад при демпфировании и разработка методики устранения влияния упругих составляющих при исследовании инерционных характеристик каналов на различных частотах 150
5.4. 1. Исследование статических характеристик упругих элементов 150
5.4.2. Экспериментальные исследования статических характеристик элементов динамического гасителя и моделей 151
5. 5. Исследование изменения демпфирования от увеличения длины канала на различных частотах 151
5.5.1. Исследования каналов гидравлического преобразователя 151
5.6. Исследования динамического гасителя 157
5.6.1. Экспериментальное подтверждение эффекта увеличения инерционности в динамическом гасителе 157
5.6.3. Исследование передаточных характеристик динамического гашения 163
5.7. Экспериментальное исследование возможности снижения массы гасителя с гидравлическим преобразователем 165
5.8 Выводы по пятой главе 166
Общие выводы по диссертации 167
Заключение 169
Литература 171
Приложения
- Проблемы современного машиностроения
- Исследование пространственной системы с избыточными связями
- Разработка математического описания механического аналога виброзащитного устройства с одним встроенным низкочастотным фильтром в виде динамического гасителя закрепленного через упругие связи
- Математическое описание ВЗУ с несколькими фильтрами в виде последовательно соединенных элементов
Введение к работе
Защита от вибрации остается актуальной проблемой современного машиностроения. Постоянное повышение скоростей движения и мощности силовых установок транспортных машин приводит к возрастанию уровня колебаний, расширению вибрационного спектра действующего на конструкции.
С постоянным усложнением систем контроля и управления задача снижения динамических нагрузок на блоках управления становится не менее актуальной, чем задача прочности. Во многом от количества сбоев в них зависит надежность работы оборудования в целом. Большинство сбоев аппаратуры вызвано внешними воздействиями на элементы коммутации и электронные блоки. Следовательно, системы контроля и управления в настоящее время нуждаются в более эффективных устройствах защиты от внешних воздействий.
Кроме этого актуальна проблема эффективной защиты от вредного воздействия вибраций на человека. Задачи воздействия вибраций на человека оператора и пассажиров транспортного средства освещены в работах академика К. В. Фролова и других известных советских ученых [7, 37, 43, 75].
Проблемы защиты от внешних воздействий оператора и блоков управления тесно взаимосвязаны. Одним из путей их решения является создание новых виброзащитных устройств. Поэтому многие фирмы в России и за рубежом успешно работают над созданием новых систем виброзащиты.
Задача создания системы виброзащиты сложна и противоречива. Здесь сталкиваются проблемы амплитудного гашения внешних воздействий на защищаемый объект и стабильность взаимного положения отдельных агрегатов. Так, например, существует требование улучшения виброизоляции без снижения статической жесткости опор. Одним из эффективных способов решения этой задачи является предотвращение распространения воздействий от силовой установки по элементам конструкции. Это достигается
7 размещением на путях распространения колебаний устройств, препятствующих распространению колебаний по конструкции (фильтров - пробок). Задача состоит в создание более эффективных и компактных виброзащитных устройств, так как наиболее распространенные в настоящее время системы далеки от совершенства.
Современные тенденции развития систем виброзащиты направлены на внедрение и замену механических систем виброизоляции на двухкамерные и многокамерные гидравлические виброзащитные устройства (ВЗУ) с преобразовательными блоками. Такие системы широко применяются в промышленно развитых странах для защиты от внешнего воздействия вибрации чувствительного к вибрационным нагрузкам оборудования, экипажей мобильных машин и человека оператора в стационарных машинах.
Работы по изучению путей распространения вибраций [72, 74, 75] позволяют рекомендовать размещение устройств виброзащиты в местах крепления, либо на элементах крепления источников вибраций. Как показали работы ведущего специалиста ООО «Туполев» к.т.н. В. С. Бакланова системы с гасителями на механических элементах, установленными на путях распространения позволяют снизить структурный шум. Однако, недостатками применяемых в работах [8, 55, 62, 73] устройств для защиты от колебаний на низких частотах явились их большие габариты. Уменьшение габаритов систем виброзащиты для тех же условий работы требует создания более компактных виброзащитных устройств. Это возможно при использовании новых конструктивных и технических решений. Одним из решений является применение гасителей с устройствами преобразования движения.
Исследования группы советских ученых [52-55 76] показали, что возможно создание систем с преобразователями движения на механических элементах. Опираясь на теоретические работы в 70 -х 80 х годах были созданы различные варианты конструкций «винт - гайка» и другие конструкции различных ВЗУ. Теоретические работы в области систем с преобразователями движения и созданные конструкции доказали возможность осуществления на
8 практике принципа относительного увеличения инерционности систем с механическими элементами. Это позволило снизить массы устройств виброзащиты, сохранив их эффективность в низкочастотном диапазоне.
До начала восьмидесятых годов наше отставание в научно-технических исследованиях от зарубежных разработок в области ВЗУ для низких частот было незначительным. Однако, отсутствие экспериментальных исследований в дальнейшем привело к отставанию отечественных разработок. В середине 80 -х перспективным направлением за рубежем стало создание гидравлических преобразователей движения (ГПД). С середины 90, когда уже реальные конструкции зарубежных производителей показали эффективность гидропреобразовательных устройств в системах виброзащиты, встала задача сократить отставание в области виброзащиты с использованием гидравлических преобразователей.
Зарубежный опыт в области создания ВЗУ, изложенный в работах [1, 85-95] показал возможность создания более компактных устройств, чем конструкции с преобразователями типа «винт - гайка». В зарубежной литературе ВЗУ с преобразователями движения на гидравлических элементах называют "hydraulic engine mount" В российской технической литературе установился термин «гидроопоры». Ведущими разработчиками гидроопор за рубежом являются фирмы LORD, Boge, Metzeller, Freungenberg .
Анализ публикаций показывает на отсутствие единой математической модели гидроопоры. Кроме того, изучение зарубежных работ показало, что пассивные виброзащитные конструкции не полностью используют потенциал, заложенный в принципе гидравлического преобразования.
Значительные, по сравнению с механическими преобразователями, возможности перевода потенциальной энергии в кинетическую, широкое варьирование демпфирования и других параметров позволяют обеспечивать снижение воздействий не менее чем в 4 - 6 раз на полосе шириной 10 Гц без активных систем управления. Это соответствует изменениям частот воздействий при эксплуатации на рабочем режиме. При последовательной
9 настройке нескольких элементов в один частотный диапазон с компенсирующими элементами возможно создание эффективного гашения на этой же полосе частот в 10 -15 раз. Кроме того, возможно создание более эффективного режима. Существуют методики создания гашения шириной 80 - 120 Гц в диапазоне от 40 до 160 Гц со снижением передачи воздействий более чем в 5 раз на краях полосы без введения активных элементов управления в схему. Зарубежные конструкции обеспечиваю снижение передачи воздействия не более чем в 2- 2,5 раза. Ширина полосы гашения в зарубежных конструкциях достигается применением систем активного управления.
В нашей стране был накоплен опыт по исследованию динамических характеристик в местах креплений силовой установки к планеру. Корректировка имеющихся математических описаний гидравлических преобразователей и создание математических описаний, учитывающих динамические характеристики, входящих в них объектов, является актуальной задачей, без решения которой невозможно создание современных систем виброзащиты. Работы [9-15, 76] подтверждают необходимость учета динамических параметров при создании систем виброзащиты.
Таким образом, опираясь на российские работы по исследованию динамических характеристик в местах креплений объектов между собой и используя зарубежный опыт создания гидравлических преобразователей движения возможно создание систем виброзащиты.
Задача диссертационной работы заключается в объединении российских и зарубежных разработок с целью создания систем виброзащиты, с учетом динамических характеристик входящих в них объектов.
Цель диссертационной работы достигается созданием простых и при этом эффективных математических описаний динамических параметров различных объектов.
На основе анализа зарубежных вариантов математических моделей выбирается базовая модель ГПД. Затем, опираясь на работы доктора технических наук А. В. Синева и др. [1, 38, 45, 46, 80] , базовая модель
10 уточняется и дополняется. Используя экспериментальные динамические характеристики объектов виброзащитной системы (ВЗС), в разработаны варианты математических описаний гидравлических преобразователей движения. Исследуются ВЗС для гашения внешнего воздействия на одной или нескольких частот. При замене объектов описываемых как абсолютно твердые тела (АТТ) и масс на созданные математические описания динамических характеристик объектов осуществляется проверка адекватности математических описаний. В качестве базовых схем для проверки использованы классические механические системы.. В качестве экспериментального подтверждения возможностей осуществления преобразования движения в гидравлическом преобразователе представлены результаты создания динамического гасителя на гидропреобразовательном элементе с частотой настройки на 60 Гц.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложены решения для схем ВЗУ с учетом динамических параметров в точках крепления подкоса (устройства крепления) силовой установки и разработан алгоритм, позволяющий автоматически рассчитывать параметры по экспериментальным АЧХ крепления.
Математически описаны гидравлические преобразователи схем ВЗУ, учитывающие динамические характеристики в точках крепления.
На основе исследований разработаны и запатентованы схемные решения динамических гасителей со встроенными инерционно-преобразовательными блоками.
Экспериментально подтвержден эффект гашения колебаний в низкочастотной области при применении гидравлического преобразователя по относительному движению.
Положения выносимые на защиту: 1. Обоснована незначительность взаимного влияния реакций в точках
крепления силовой установки к планеру и подтверждена адекватность
рассмотрения пространственных возмущений в одномерном решении.
Обобщенные описания динамических характеристик силовой установки, рамы стенда и планера самолета через характеристики в точке крепления ВЗУ.
Методика расчета параметров моделей силовой установки в точке крепления по экспериментально определимым частотам и демпфированию математического описания реакции.
4 Аналитическое описание ВЗУ с гидравлическим преобразователем движения с последовательным и параллельным расположением диссипативного и инерционного каналов, учитывающие динамические характеристики системы «силовая установка - подкос - основание (планер самолета, рама стенда)». Практическая ценность работы.
Разработанные математические описания и алгоритм расчета позволяют учитывать динамические характеристики в точке крепления на этапе проектирования, проводить моделирование динамического поведения конструкций в процессе летных и стендовых испытаний, упрощают интерпретацию полученных экспериментальных данных. Практическая ценность диссертационной работы обусловлена её прикладной направленностью. Разработаны и предложены различные конструкции динамических гасителей, встраиваемые в подкосы и применяемые для гашения колебаний панелей. Разработаны схемы виброизолирующих опор с гидравлическими преобразователями по относительному движению. Предложено математическое описание регулируемого подкоса с учётом динамических характеристик в местах крепления. Апробация.
Материалы диссертации были представлены и обсуждались на 5 - ой Международной конференции «Проблемы колебаний» (ICOVP-2001) 8 - 10 октября 2001, (Москва, ИМАШ); XIII конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Современные проблемы машиноведения» 4-5 декабря 2001 года, (Москва); Московской конференции молодых учёных
12 «Научно технические проблемы развития Московского мегаполиса» 19-21 ноября 2002 года, (Москва); XXVIII Международном научно-техническое совещание по проблемам прочности двигателей 26 - 28 ноября 2002 года, (Москва); XIV симпозиуме Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем. (Москва - Звенигород 2003), семинаре «Упаковка из пластика и комбинированных материалов» 3- 4 июня 2003 (Москва); Юбилейной XV интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов 3-5 декабря 2003 года, (Москва)., и др конференциях в период с 2004 по 2007
Проблемы современного машиностроения
К настоящему времени разработано и используется большое количество виброзащитных устройств. Однако требования, предъявляемые к виброизоляции машин и механизмов, постоянно повышаются и усложняются. Для оценки конструктивных схем виброзащитных систем применяются критерии виброизоляции позволяющие оценить меру виброизоляции в конкретном диапазоне частот [42].
Анализ причин возникновения вибрационных возмущений различных объектов показывает, что они вызываются многими факторами. Определение величины и характера всех воздействий на стадии проектирования практически не возможно, следовательно, после изготовления необходима доводка изделия [77]. Эти обстоятельства приводят к необходимости создания специальных средств виброзащиты, способных обеспечивать качественную и надежную работу объектов в различных режимах эксплуатации [78]. М. Д Генкин [41] указывал на необходимость включения подобных устройств в состав объектов и изделий на стадии их проектирования.
В процессе эксплуатации характеристики объекта или изделия могут изменяться, например, в результате износа, изменения режима или условий работы. В этом случае возникают повышенные уровни вибрации, несмотря на то, что ранее динамические характеристики объекта или изделия соответствовали требованиям.
На объект может действовать одновременно несколько возмущений, различных по характеру. При анализе вибраций механизмов и устройств, близких к гармоническим, частоты их колебаний могут изменяться в некотором диапазоне. Изменения частоты могут происходить по различным законам в зависимости от типа механизма и режимов его работы. Механизмы и установки, содержащие неуравновешенные вращающиеся массы, создают в процессе работы возмущающие усилия с частотой, равной или кратной частоте вращения вала приводного двигателя. В более широких пределах частота возбуждения изменяется в процессе регулирования скорости приводов.
Степень сложности виброзащитной системы будет зависеть от характера изменения частоты, а также от виброактивности машины в том или ином диапазоне частотного спектра. Проблемы нестабильности частоты вибраций обусловлены следующими факторами. а) блужданием (флуктуацией) частоты на рабочем режиме в непосредственной близости от номинального значения; б) изменением частоты в широком диапазоне частот под воздействием факторов случайного характера; в) изменением рабочего процесса машины, например выходом на режим по оборотам или нагрузочным характеристикам. Виброизоляция и динамическое гашение — являются основными способами борьбы с вибрацией на путях ее распространения. Динамическое гашение является эффективным в узкой полосе частот.
Средства виброзащиты от переменных по частоте воздействий можно разделить на две группы. К первой относятся средства и способы, базирующиеся на применении пассивных устройств, т. е. не использующие энергию внешнего источника для создания сил, уменьшающих вибрацию, а обеспечивающие лишь целенаправленное изменение динамических параметров систем (инерциальных, жесткостных параметров и характеристик демпфирования). Во вторую группу входят средства виброзащиты, использующие активные рабочие элементы (насосы, шаговые двигатели, различные приводы).
Виброзащитные средства и способы от воздействия с , детерминированным изменением частоты возмущения [42] разделены по типу настройки параметров на нерегулируемые, самонастраивающиеся и с регулируемой настройкой. Нерегулируемые включают нелинейные динамические демпферы крутильных колебаний, нелинейные опоры и муфты, нелинейные гасители колебаний Известны линейные механические колебательные системы, обладающие свойством виброизоляции. Динамические вибропоглотители (или гасители) считают одним из наиболее эффективных пассивных виброзащитных средств, способных подавлять установившиеся вынужденные колебания механизмов и конструкций при моногармоническом возмущении. В работах Елисеева СВ., Генкина М Д , Гордеева И Е и др [39-47, 51-55] обоснована эффективность использования динамических гасителей для улучшения динамических характеристик объектов при ударных воздействиях. К этому же виду относятся ВЗУ с преобразованием движения, системы внутренней и внешней инерционно-упругой виброзащиты, обладающие фиксированной настройкой, упругие, упруго-демпферные и демпферные опоры, локализующие колебания в местах возбуждения. Эти устройства находят применение в различных отраслях машиностроения .
В последние десятилетия предложено и исследовано большое количество новых упруго-инерционных виброзащитных конструкций. Можно назвать многокаскадные системы [41], решетчатые фундаменты, механизмы с преобразованием движения типа «винт—гайка» , двухкаскадные ВЗУ с динамическим гасителем на промежуточной массе [55], рычажные, симметрпчно-консольные и стержневые подвески с виброкомпенсацией [39, 78], системы с уравновешиванием [35] и другие, в том числе многомассовые системы .
При всем разнообразии существующих схем упруго-инерционной виброизоляции следует отметить одно общее их свойство, ограничивающее область применимости данного класса систем. Для получения достаточно 5 эффективной виброизоляции в низкочастотной области нельзя беспредельно 4 снижать жесткость виброизоляции. Зависимость между требуемой жесткостью и характеристиками виброизоляции, справедлива для линейных консервативных систем с любым конечным числом степеней свободы [42].
Исследование пространственной системы с избыточными связями
Пространственную систему с избыточными связями рассмотрим на примере десятистержневой пространственной конструкции " редуктор - упругие подкосы - планер " исходя из допущения что редуктор и планер твердые тела.
Варианты расположения подкосов для подавления крутящего момента Основы расчета установки крепления системы " редуктор — упругие подкосы - основание" показанной на рисунке 2.3а базируются на ряде принципов. Силовая схема установки крепления " редуктор - упругие подкосы - основание" является статически неопределимой. Порядок статической неопределимости при этом определяется числом избыточных, сверх необходимых шести связей (стержней). Варианты крепления представленына рис 2.3 б.
Принимая планер за тело 1 , а редуктор за тело 2 , переходим к рассмотрению механической задачи виброизоляции статически неопределимой системы.
Рассмотрим следующую механическую задачу. В пространстве расположены два твёрдых тела тело 1 и тело 2. Если принять следующие допущения: предположим, что положение твердых тел описывается координатами и углами системы XI, Yl, Z1, \/1, 01, ф1, совпадающими с главными центральными осями инерции тела 1 в- статическом положении, а положение тела 2 координатами и углами системьгХ2, Y2, Z2, ц/2, 02, ф2 так же совпадающими с главными центральными осями инерции тела 2. Оси XI и Х2 параллельны, Yin Y2 параллельны, Z1 и Z2 совпадают.
Тела связаны друг с другом п - ым количеством стержней прикрепленными к телам сферическими шарнирами, причем п 6 или п=6. Положение устройств крепления относительно тела Г будем характеризовать матрицей плюккеровых координат А1 (2.10) , где А1 будет иметь размерность [пхб] относительно координатной системы XI, Yl, ZL, а положение этих же осей относительно твердого тела 2 матрицей А2 (2.11) относительно координатной системы Х2, Y2, Z2..
Выражение (2.27) позволяет говорить о независимости колебаний от внешних воздействий недиагональных коэффициентов. В1 выражении (2!27) динамическая жесткость ВЗУ оказывает основное воздействие на силу F1. Выражение (2.9) и зависимость (2.27) теоретически обосновывают правильность утверждений о незначительном влиянии связности колебаний, на стержневые конструкции независимо от статической определимости. IIpH.D(s) = 0, то есть при нулевой матрице динамической жесткости D(s), обращаются в нуль соответствующие передаточные функции. Вибрации через подкосы в.этой области частот не передаются и мы, получаем F1=0 для всей системы, то есть сила; передаваемая через.каждое ВЗУ, равняется нулю.
Отсюда следует, что направленное формирование нулей динамических жёсткостей.виброизоляторов начастотахвозбуждения может быть эффективно, применено» в рассматриваемой! задаче: Количество избыточных связей влияет только наг количество необходимых низкочастотных фильтров. Последующей» задачей-является выбор адекватных для задач виброзащиты математических моделей объектов в точках крепления, которые рассматривались как податливости объектов. Для этого необходимо адекватно определить динамические податливости в точках крепления.
Полученные пространственные коэффициенты передач показали, что динамические характеристики в местах крепления являются важными параметрами при- создании эффективных систем виброзащиты. Для создания адекватных моделей необходимо осуществить обработку экспериментально полученных характеристик с использованием математических пакетов. По результатам обработки требуется построить эквивалентные математические описания точек крепления силовой установки, планера и стенда. Проведем моделирование различных вариантов динамических характеристик в точках крепления. В качестве базовых воспользуемся экспериментальными данными полученных фирмой ОАО «Туполев».
Пространственная конструкция имеет сложный спектр колебаний распространяющихся в различных направлениях от источников возмущений. Любой пространственный объект можно представить в виде вибропроводов соединяющих агрегаты между собой с наложением влияния на точки связи в виде устройств учитывающих связность. Обзор работ [33 ,87] показал, что для описания объекта как системы «объект виброзащиты - ВЗУ - основание» зарубежные авторы применяют простые аналогии. Объект , как правило, рассматривают как массу, а корпус либо как основание с высокой динамической жесткостью, либо как массу. В работе [52] длинномерная конструкция рассматривается как пружина, анализ существующих схем виброизоляции показал что силовую установку и планер самолета принято рассматривать как массы и пружины или как объекты с динамической податливостью стремящейся к нулю. очевидно что такие описания динамических характеристик требуют уточнений.
Влияние связных колебаний для ряда конструкций пространственных объектов не являются определяющими и поэтому ими можно пренебречь в инженерных расчетах. Практическим доказательством этому служат многолетние исследования ведущего специалиста ОАО «Туполев» Бакланова В. С. и работы Попкова В. И. [2, 9-11, 74, 76 ]. Теоретические выкладки, изложенные в предыдущих пунктах, косвенно подтверждаются экспериментальными исследованиями, излагаемыми в работах [13 -16]. Воспользуемся данными исследований динамических характеристик точек крепления проводимыми фирмой ОАО «Туполев». При замерах в нескольких плоскостях и под разными углами динамических характеристик они изменяются. Исследования ОАО ТУПОЛЕВ показали, что через подкос лучше передаются воздействия направленные в плоскости параллельно оси ВЗУ. При изменении угла возбуждения передача колебаний резко снижается. Для наглядности объединим динамические податливости при различных углах возбуждения на одном рисунке. На рис 2.4 представлен график изменения динамической податливости объекта при замерах в различных плоскостях при передачи воздействий . Видно, что рабочие частоты, создающие узкополосные пики большой амплитуды распространяются только в плоскости параллельной оси крепления.
Разработка математического описания механического аналога виброзащитного устройства с одним встроенным низкочастотным фильтром в виде динамического гасителя закрепленного через упругие связи
Расчетная модель позволяет описать не только модель применяющегося конструктивного элемента, но и прототип модели виброзащитного устройства с гидропреобразователем. Введение преобразовательного элемента между массой подкоса и массой динамического гасителя превращает механическую схему в гидромеханическую схему, описывающую конструкцию с гидравлическим динамическим гасителем колебаний, исследуемым в пятой главе. Проведем расчет параметров ВЗУ, представленного на рис 3.3 для использования в качестве виброизолирующей опоры для крепления СИЛОВОЙ установки наг экспериментальном стенде, имитирующим планер летательного аппарата. В работе [91] показано, что это устройство имеет три резонансные частоты и один нуль коэффициента передач. Оно позволяет добиться гашения колебаний» вызванных неуравновешенностью ротора на частоте 60 Гц путем применения механического гасителя массой 3 кг.
Рассмотрим поведение ВЗУ при установке его на стенд, имитирующий силовую- установку, смонтированную на- планер. Заменим массу, приходящуюся на одно ВЗУ, на эквивалентную реальную податливость силовой установки, а неподвижное основание представим в виде эквивалентной податливости рамы стенда. Соответственно, схема изображенная нарис (3.3а) преобразуется в схему, представленную на рисунке 3.3б. Для проведения дальнейшего расчёта опишем систему «двигатель -виброизолирующее устройство- основание» с помощью метода импедансов [4] в виде схемы на рис З.в.
После упрощения схема, показанная на рис З.Зв, предстает в виде схемы, состоящей из одних податливостей рис З.Зг Упростим схему, представленную на рис З.Зг , заменив три параллельные ветви одной используя правило сложения параллельных сопротивлений для электрических схем. Рассмотрим через податливости перемещение системы от возникающих в процессе работы сил F. Это же перемещение можно выразить через силу F1, воздействующую на ВЗУ и на раму, имитирующую планер и податливость системы «ВЗУ - основание»
Таким образом, общее воздействие на систему разделяется на силу поглощаемую, корпусом силовой установки Рдв и силу, передаваемую и поглощаемую ВЗУ (подкосом, опорой) и рамой F1. Основное воздействие, проходя корпус силовой установки, приходится на систему «ВЗУ - основание».
В ВЗУ, настроенном на рабочую частоту одного из роторов, происходит поглощение силового воздействия данной частоты вызванной работой СУ. По отношению к этой частоте, поглощение силовых воздействий на других частотах будет незначительным. Определим передачу воздействия через ВЗУ на раму имитирующую планер самолета FIUI. Оно определяется как отношение силы , воздействующей на раму имитирующую планер самолета Fnn, к силе, возникающей при работе силовой установки F. Оно характеризует долю возмущающей силы, возникающей в результате работы силовой установки и передающейся на планер и поглощенной им.
Как видим податливости силовой установки и рамы, имитирующий планер самолета, оказывают большое влияние на значение передаточной функции для разработанной модели: Однако на экспериментальном стенде, имитирующий планер летательного аппарата удается создать только эквивалент планера реального ЛА . Это вносит значительную погрешность при установке разработанного ВУ на реальную конструкцию. Внесем коррективы в проводимый расчет. Вместо Ппл (рамы стенда), представляющей собой на данном диапазоне частот твердое тело конечной массы моделируем экспериментально определённую податливость планера самолета реального ЛА.
В расчётной схеме используется аппроксимирующая зависимость, не учитывающая- многих дополнительных резонансов. При этом учитываются резонансы на рабочих частотах роторов; что позволяет наиболее точно-представить систему «двигатель — ВЗУ - основание». Полученный таким методом коэффициент передачи наиболее адекватно совпадает с реальным поведением системы и обеспечивает высокую точность настройки частоты гасителя.
Результаты моделирования различных вариантов точек крепления, представлены в виде передаточных функций на рисунке 3.4
На кривых 1, 2, 3 видно что не производит изменения частоты настройки от изменения динамических характеристик основания в отличии от предыдущей схемы. Изменение типа- основания приводит, к изменению глубины гашения на настраиваемой частоте. При моделировании основания, как пружины происходит снижение эффективности гашения по сравнению объектом имеющим динамическую податливость близкой к 0. Применение динамического гашения приводит к возникновению дополнительного резонанса, близкого к частоте настройки. Вредное влияние дополнительного резонанса можно снизить путем применения дополнительного демпфирования. Однако это приведет к снижению эффективности гашения на частоте настройки. Очевидно, что применение как механических гасителей и низкочастотных фильтров не может обеспечить высокой эффективности систем виброзащиты. Проверка моделей оснований (стенд, планер) показала их адекватность и возможность использования для дальнейшего моделирования систем с гидравлическими преобразователями. Дальнейшим шагом является применение апробированных моделей динамических характеристик в местах крепления для корректировки модели «серый ящик» с гидравлическим преобразователем движения (ГПД)
Математическое описание ВЗУ с несколькими фильтрами в виде последовательно соединенных элементов
В предыдущем главе и работах [26-30] были рассмотрены схемы виброзащитных устройств (ВЗУ) с одним гасителем. Поскольку современные энергетические установки являются многовальными с низкими рабочими частотами необходимо создание многочастотных ВЗУ. Разработка математических моделей конструктивных и принципиальных схем и для; гашения каждой частоты ротора двух или трехвальннои системы требует проведения оценки взаимного влияние фильтров, выполненных на гидропреобразовательных элементах.
Основываясь на результаты исследований [26], [30], рассмотрим варианты ВЗУ с ГПД выполненные в виде отдельных вибропроводов. Каждый вибропровод образует цепь в которую входит устройство крепления с виброизолятором. Цепь исследовалась на основе методик изложенных в работах [55] , [76]. ВЗУ содержит узкополосные фильтры, каждый из которых состоит из инерционного элемента , работающего по относительному движению, а так же демпфирующего и упругого элементов.
Рассмотрим последовательный и параллельный варианты соединения элементов в фильтрах. Поскольку варианты, выбранные в работе [26], зарекомендовали себя положительно по аналогичным схемам осуществим и многочастотные варианты.
Вариант 1 (рис 4.1 а) содержит вибропровод в виде цепи силовая установка - устройство крепления (подкос) содержащее два фильтра с последовательным расположением элементов - основание. Под силовой установкой, по аналогии с работой [ 45], понимается элемент силовой установки к которому крепится подкос. Параметры этого элемента определяются на основании работ Бакланова В. С. [2], [11-15].
Под основанием принимается элемент планера самолета (рамы стенда или конструкции с идеально малой динамической податливостью) параметры которого определяются экспериментально.1 Результаты математического моделирования экспериментальных данных силовой установки и основания аналогичны приведенным в работе [24].
На основании работы [52], цепь преобразуется к цепи с последовательно расположенными элементами с известными динамическими характеристиками. Для этого исключается связность вибропроводов между, собой. Для каждого вибропровода рассчитывается передаточная характеристика Т(со). Вибропровод рассматривается как одномерная ВЗС.
Передаточная функция от, частоты Т(ш) рассчитана по электромеханическим аналогиям с применением стандартных операций импедансного метода [76], [66]. Основными параметрами элементов цепи являются динамические характеристики силовой установки, рамы стенда, (или планера самолета) и подкоса. За основу взяты динамические податливости. При этом получаемые выражения позволяют оперировать и другими доступными экспериментальными данными после соответствующих преобразований, известных из работ [36], [55]. Выражение (4.3) является передаточной характеристикой Т(со) математической модели ВЗУ учитывающей реальные динамические характеристики в точках крепления с ГПД с параллельным расположением элементов для любого количества фильтров. Поскольку рабочие частоты СУ известны из экспериментальных данных. Промоделируем настройку фильтров и используя автоматизированный комплекс и получим передаточные характеристики на три типа основания:
Графическая иллюстрация передаточной функции представлена на рис 4.2. Представленная графическая интерпретация процесса подтверждает неизменность настроек фильтров при изменении типа основания для много частотных ВЗУ и слабое взаимовлияние фильтров на совместную работу.
Конструктивно устройства с последовательными и параллельными фильтрами отличаются размещением элементов, обеспечивающих инерционность упругость и демпфирование. Так если в принципиальной схеме элементы выполнены параллельно то в физической модели, аналогичной конструктивной схеме, эти элементы изготавливают последовательно , а последовательные элементы параллельно. Выбор варианта ВЗУ с ГПД определяется в основном по технологическим возможностям реализации. Так как каждый из вариантов имеет как свои положительные, так и отрицательные стороны схожие как для многочастотных так и одночастотных схем.
При исследовании обнаружено незначительное взаимное влияние фильтров. Кроме того, второй контур создает дополнительный резонансный пик, природа которого не до конца исследована. Одним из направлений по снижению передачи воздействий на рабочих частотах может быть оптимизация демпфирования. Подобное решение [56] позволило снизить амплитуду резонанса для ВЗУ на механических элементах. Снижение резонансного пика оптимизацией демпфирования приводит к снижению эффективности виброзащиты от колебаний на рабочих оборотах роторных частот на 4 дБ. Таким образом, реальное снижение передачи динамического воздействия от СУ к планеру через устройства крепления осуществимо на 12 дБ. На низкочастотном диапазоне основным является структурный шум, а согласно ГОСТ 12. 003 -83 эквивалентный уровень определяется по кривым предельных спектров с 28 Гц ( октавы 31,5 Гц до 8000 Гц) на низких частотах определяющими являются пики на рабочих частотах. Октавный спектр наносится на графики с кривыми предельных спектров. Измеренный спектр характеризует самая высокая кривая , которой он коснулся хотя бы в одной точке. Резко выраженные в шуме тональные (дискретные) составляющие на рабочих частотах повышают его уровень. Снижение основных пиков в низкочастотном диапазоне в купе с применением эффективных средств поглощения высокочастотной составляющей позволит снизить эквивалентный уровень звука как минимум на 5дБ (А) (поскольку кривые на графике на носятся через 5дБ). Последующие контуры будут создавать дополнительные резонансы, что создает дополнительные проблемы при их совпадении с собственными колебаниями отдельных узлов.
Как показывают расчеты каждый фильтр способен обеспечить снижение коэффициента передачи не менее чем на 7 дБ на полосе шириной 10 Гц в» низкочастотном диапазоне (в области частот от 5 до 80 Гц), что соответствует изменению диапазона рабочих оборотов в «крейсерском» режиме полета. Для гашения всего диапазона рабочих частот возможен вариант с регулированием параметров фильтров. Наиболее эффективным является регулирование упругих элементов с помощью приводов с управлением в «реальном» времени. Рассматриваемые схемы могут быть реализованы и с дополнительными управляющими элементами без сложных изменений в конструкции.
